涡轮叶片积迭线形状对叶栅气动性能的影响

涡轮叶片积迭线形状对叶栅气动性能的影响

0叶栅流场特性叶尖间隙对发动机的效率和安全性有重要影响。航空发动机涡轮工作效率的损失很大程度在于涡轮叶尖间隙损失。影响涡轮叶尖间隙的因素很多,它涉及到转子、支承、机匣、轮盘、叶片零组件的材料、工艺、结构、强度、传热等方面,并随发动机的状态而变化。叶轮机械间隙流动的泄漏流动的形成机理强烈依赖于叶栅的运行工况。所讲的流动机理是指叶栅中三维集中涡系的发生、发展及相互作用。冲角的变化很容易改变叶栅中的三维涡系,因此要弄清具有叶顶间隙叶栅中流动损失产生的机理,就必须研究冲角变化的影响。Hah与Pouagare、Delaney测量了压气机叶顶间隙内的流动矢量。Yamamoto等在常规涡轮线性叶栅中分别测量了不同间隙、不同冲角下叶顶间隙内及全叶栅流动特性。此外,Yamamoto还对具有超高负荷涡轮转子环形叶栅进行了低速风洞实验,给出了在超高负荷下具有叶顶间隙的涡轮环形叶栅的详细流场结构与损失发展特征。为进一步认识间隙内的流动机理,加深对弯叶片在具有叶顶间隙叶栅中作用的理解,笔者对三套叶栅在0°、10°和20°冲角下测量了间隙内及全叶栅流场特性。笔者将通过对实验结果的讨论,提供更多具有叶顶间隙直叶栅与正、反弯叶栅流场的物理学信息。1几何与气动参数实验研究了3套燃气涡轮矩形叶栅:(1)常规直叶栅;(2)上下端部倾斜角均为20°、中间圆弧过度的正弯叶栅;(3)上下端部倾斜角均为-20°、中间圆弧过度的反弯叶栅。叶片弯曲的同时保持平行于端壁平面内的叶型不变,该叶型皆采用文献提供的叶型,见图1。考虑到叶片的冷却问题,其厚度与前、后缘圆直径均较大,这有利于间隙流动状况的研究。叶栅的其它几何与气动参数如下:叶片弦长b=120.5mm;叶高h=110mm;节距t=90mm;节弦比t/b=0.763;轴向弦长B=118.5mm;展弦比h/b=0.913;叶片几何进气角(从轴向算起)α1p=50°;叶片几何出气角(从轴向算起)α2p=-63°;叶顶间隙τ=4mm;叶顶相对间隙τ¯=τ/h=0.036τ¯=τ/h=0.036;进口总压P*0=10730Pa;叶栅出口叶展中部马赫数M=0.3;基于弦长的雷诺数Re=8.3×105;进口边界层厚度δ=14mm。为了详细认识流动由栅前至栅后的发展,由栅前至栅后共设置了8个测量面。在流道内,沿节距方向,除保证第一点与吸力面的距离为2mm外,测点间的距离都为4mm。沿叶高方向有17个测量站,测点间的距离根据参数变化疏密不等。在顶部间隙的中分面内设置了19个测量站。为了考察实验叶栅在变工况下的气动性能,分别在气流冲角为0°、10°和20°条件下测量了3套叶栅气动参数在各个测量站上沿叶高和节距以及在间隙中分面上的分布。2结果与讨论2.1不同冲角下的损失分布按质量流量节距平均总压损失系数沿叶高的分布表示在图2。图中i=1表示测量站1,其相对轴向位置为X/B=-0.17处,4对应X/B=0.42,6对应X/B=0.78,8对应X/B=1.14。由图可见,总压损失型都是从栅前近似“C”型发展成栅后的“前倾型”。然而,随着冲角的增加,栅后总压损失型的前倾程度逐渐地减小,即上端壁附近的损失系数增大得较小,而下端壁附近的损失系数增大得较大。总压损失型随冲角的这种变化是由于在不同冲角下,从栅前至栅后流动所承受的横向压力梯度、通道涡的发生和发展以及沿叶高的二次流不同而造成的。由测量站1～4,在3套叶栅中是马蹄涡压力侧与吸力侧两分支向吸力侧壁角运动阶段。随着冲角的增大,马蹄涡两分支发生的位置移向上游,其强度与尺度也在增长。马蹄涡进入流道之后,在横向压力梯度的作用下,向吸力侧壁角卷吸。横向压力梯度的大小正比于冲角,伴随着冲角的增加,马蹄涡迁移到吸力侧壁角的位置移向上游。如前所述,马蹄涡的尺度相对其它集中涡系,例如通道涡小得多,而且始终沉浸在端壁边界层内,因此,在这一流动阶段,表现出来的流动损失的增长始终是端壁边界层内摩擦损失的增加。由图可以看到,随着冲角的增大,两端壁上的损失逐渐升高到同类叶栅的极大值。例如在第4测量站,三套叶栅在0°冲角下上端壁损失系数大约为0.28,下端壁大约为0.14。当冲角为20°,损失系数在上端壁为0.86左右,在下端壁为0.8左右,损失分布型发展成曲率较大的“C”型。栅内流动进入第二阶段,即由测量站4～6,通道涡形成,吞并来自压力侧前缘的马蹄涡压力侧分支,卷吸大量低动量气体,向叶展中部发展。与此同时,泄漏流动进入压差起主要作用的区域,在相同冲角的同类叶栅中,泄漏涡的强度达到最大值。一方面,随冲角增加愈来愈强烈的泄漏涡与上通道相互干扰产生高损失,另一方面上、下通道涡在向叶展中部运动的同时,卷吸越来越多的低能流体。如图2表示的那样,两侧端壁附近的损失下降,离开端壁的损失增加。在较大冲角下,虽然两端壁附近的损失仍然较大,但与中部叶展的损失值比较差别在减小。在直叶栅与反弯叶栅中,低动量气体的输运主要是籍助于上、下通道涡随流动的彼此靠近。而在正弯叶栅中,在指向叶展中部的压力梯度的作用下,下通道涡上升,上端壁通道横向二次流下移,靠此输运低动量气体。由测量站6～8,流动由叶栅喉部发展至下游流场,控制这一阶段流动损失沿叶高对流的是展向二次流。叶顶泄漏流动引起的由叶根至叶顶的二次流使得上半叶展的损失进一步增长。此外,通道涡低压中心产生沿叶高的正压梯度,引起上端壁附近区域低动量气体向70%～80%相对叶高迁移,上端壁流动损失明显下降,并在70%～80%相对叶高形成损失峰值。无论泄漏涡还是上、下通道涡均随冲角的增大而加强,并且逐渐远离端壁,这都导致低动量气体在叶栅中的对流加剧。特别是在10°和20°冲角下的直叶栅和反弯叶栅,由于涡破裂抑制了由叶根至叶顶的二次流,替代的是由叶顶指向破裂中心的二次流,这更使上端壁附近的损失下降。这样一来,随着冲角的增加,在沿叶高平均损失增大的同时,总压损失型的前倾减缓。对比不同冲角下的总压损失型还可发现,在零冲角下泄漏流动仅影响上半叶展的流动损失。在第6测量站,泄漏流动形成的叶顶吸力侧附近的损失峰值开始增长,在栅后第8测量站贴近上端壁的流动损失达到最大值。随着冲角的增加,泄漏流动对损失的影响逐渐遍及整个叶展,并且泄漏流动的影响从占主导地位而逐步让位于通道涡或通道横流。如图2所示,端壁上损失的增长从栅前就开始,在栅后最大损失不位于上端壁,在10°或20°冲角下分别位于89%～90%和70%～80%相对叶展。这进一步说明,冲角对通道涡或通道横流的影响显著大于对泄漏流动的影响。2.2不同冲角下叶片力沿叶高分布的影响由图3(a)可见,在零冲角下,直叶栅沿叶高的静压分布除在叶顶受泄漏流动的影响静压系数局部下降外,由测量站6～8呈现通道涡诱导的分布曲线形状。在正、反弯叶栅中,由测量站4～6可清楚地观察到叶片力径向分力引起的典型的“C”型和反“C”型静压分布。由图3(b)、(c)同样可以看到在10°和20°冲角下通道涡对直叶栅静压沿叶高分布的影响。但是在正、反弯叶栅中,叶片力沿叶高分力所形成的“C”和反“C”型静压分布在10°冲角下尚隐约可见,而在20°冲角下就几乎看不到了,看到的是在某些测量站形成的通道涡诱导出的近似“ε”型静压分布。由此不难看到,随着冲角的增大,叶片力沿叶高分力对静压沿叶高分布的影响相对减弱,通道涡,特别是通道涡与泄漏涡的相互作用对静压沿叶高分布的影响逐渐占主导地位。除此之外,对比不同冲角下静压沿叶高的分布曲线还可以看到,从测量站8在80%相对叶高内曲线愈来愈后倾并越来越接近直线,这是由于泄漏涡与通道涡相互作用引起静压波谷压力下降以及沿叶高二次流拉平静压而造成的,也表明随着冲角的增加,泄漏流动对静压分布的影响逐渐波及整个叶高。叶片正、反弯对两端壁附近静压沿叶高分布的影响与冲角增加相比分别同向或反向,因而造成喉部附近测量面的端壁上的静压系数值由大至小排列分别为正弯叶栅、直叶栅和反弯叶栅,在叶栅下游测量面端壁上相同冲角三套叶栅的静压系数值大致相等,这就形成了由叶栅喉部至下游吸力侧逆压梯度段的逆压梯度值反弯叶栅的最大,直叶栅次之,正弯叶栅的最小,因此在大正冲角(20°)下出口扩压段与进口扩压段联合作用于边界层,反弯叶栅的边界层最易分离,旋涡最易破裂,正弯叶栅则相反,这也是叶片正弯降低损失的主要原因之一。2.3%是表达利益集中本文测得的3套叶栅在0°、10°和20°冲角下按质量流量平均总压损失系数表示在图4。与直叶栅比较,在0°、10°和20°冲角下采用正弯叶片流动总损失分别下降6%、12%和17%。相反,采用反弯叶片流动总损失分别增高14.2%、19.5%和27%。从图中还可清楚地看到,对于同类叶栅,流动总损失随冲角的增加而增大。在具有叶顶间隙的涡轮转子叶栅中流动损失产生的根源是:(1)旋向相反的泄漏涡与上通道涡在上端壁诱导出高值的表面摩擦,在它们相接触的地方出现高剪应力;(2)两涡相互干扰产生涡能耗散;(3)旋涡运动及相互作用引起的流动不均匀造成的掺混损失。泄漏涡与上通道涡的强度与尺度强烈依赖跨过叶顶与两端流道内的横向压力梯度,该梯度与冲角几乎成正比地增大。在正弯叶栅中,由于跨过叶顶与两端流道横向压力梯度被削弱,泄漏涡强度减小,特别是消除了上通道涡,在损失增长最大的上半叶展仅是泄漏涡与端壁横向二次流相互作用,上述3次损失大为下降。而且实验数据还表明,冲角越大,叶片正弯的作用越显著,降低损失的比例越大。4损失分布的影响(1)冲角对通道涡或通道横流的影响显著大于对泄漏流动的影响;(2)随着冲角的增加,马蹄涡、泄漏涡、通道